Damit könnte man die Tür zu völlig neuen physikalischen Experimenten aufstoßen. Gelingen soll das mit Hilfe eines Quark-Gluon-Plasmas, eines ultraheißen Materiezustandes, wie er in unserem Universum Sekundenbruchteile nach dem Urknall geherrscht hat.
Die kürzesten Blitze aus der größten Hitze
Die Studie in den "Physical Review Letters": "Yoctosecond Photon Pulses from Quark-Gluon Plasmas" von Andreas Ipp et al.
Die Erzeugung immer kürzerer Lichtpulse ist für die moderne Atom- und Molekülphysik von großer Bedeutung. Nur durch ultrakurze Lichtblitze kann man quantenphysikalische Phänomene studieren, die so schnell ablaufen, dass sie für jede andere Untersuchungsmethode unsichtbar bleiben. Bisher wurden die kürzesten Lichtpulse erzeugt, indem man Atome mit Laserstrahlen beschoss, deren Energie in Form kurzer Lichtblitze wieder abgegeben wurden.
Die nun vorgeschlagene Methode geht völlig andere Wege: „Lässt man schwere Ionen beinahe mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren, bilden sie für einen winzigen Sekundenbruchteil ein Quark-Gluon-Plasma, das als Lichtquelle für ultrakurze Pulse dienen kann“, erklärt Andreas Ipp vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.
Max-Planck-Gesellschaft
In einem Quark-Gluon-Plasma, dem Zustand, in dem sich die Materie kurz nach dem Urknall befand, ist die Temperatur so hoch, dass selbst Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile "aufgeschmolzen" werden. Die winzigsten Bauteile der Materie – Quarks und Gluonen – bewegen sich dann wirr durcheinander. Heute kann dieser Materiezustand in großen Beschleunigeranlagen, etwa am CERN, experimentell hergestellt werden.
Yoktosekunden
Während der extrem kurzen Zeit, in dem sich die Ionen bei der Kollision im Quark-Gluon-Plasma-Zustand befinden, können sie Lichtteilchen aussenden. Die Blitze, die dabei entstehen, dauern nur einige Yoktosekunden. Das ist etwa die Zeit, die das Licht benötigt, um einen Atomkern zu durchqueren.
Eine Yoktosekunde entspricht einem Milliardstel eines Milliardstels einer Millionstelsekunde.
Solche Zeitskalen sind mit menschlichen Maßstäben kaum zu beschreiben: Die Länge des Pulses verhält sich zu einer Tausendstelsekunde etwa so wie eine Tausendstelsekunde zum Alter des Universums. Die Lichtpulse sind zwar nicht besonders energiereich, aber weil sie alle ihre Energie in einem einzigen winzigen Augenblick abgeben, erreichen sie in dieser kurzen Zeit eine Leistung von mehreren Terawatt – vergleichbar mit der Leistung aller Kraftwerke der Erde zusammengenommen.
Zusammenstoß im Computer
Die Wissenschaftler simulierten den zeitlichen Ablauf eines Ionenzusammenstoßes und der damit verbundenen Lichtpulse am Computer. „Besonders interessant ist, dass das Quark-Gluon-Plasma nicht in jeder Phase der Kollision in die selben Richtungen abstrahlt“, betont Andreas Ipp. Zu Beginn und am Ende der Kollision leuchtet das Quark-Gluon-Plasma überall hin – doch dazwischen wird Licht fast nur im rechten Winkel zur Stoßrichtung abgestrahlt.
Direkt in Stoßrichtung sendet das Quark-Gluon-Plasma also hauptsächlich am Anfang und am Ende des Zusammenstoßes Strahlung aus – ein Doppelpuls entsteht. Durch geeignete Wahl der Stoßrichtung und der Stoßgeschwindigkeit sind diese Doppelpulse im Prinzip steuerbar. "Vielleicht gelingt es eines Tages, mit solchen kontrollierten Yoctosekunden-Doppelpulsen das erste Zeitlupenvideo von Prozessen innerhalb von Atomkernen zu filmen", hofft Andreas Ipp.
science.ORF.at
